CN101923317B - 色选机灵敏度电压的实时动态调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种色选机灵敏度电压的实时动态调整方法，经过数据采集与处理、数据模糊化处理、专家系统参数整定处理、模糊推理、逆模糊化处理、输出等步骤。通过实时动态调整的方法，根据色选机操作人员估计的原料含杂比与色选机硬件系统性能实时调整灵敏度电压，减少因流量或光强的变化对选别精度的影响；动态调整灵敏度电压，防止喷射阀出现长吹现象，影响色选性能；使用模糊控制与专家系统有机结合构成的模糊专家控制系统，避开常规PID控制需建立数学模型的难点，直接根据更切实际情况的专家经验构成的知识库，充分利用了模糊控制的鲁棒性好，专家系统控制的灵活性好等特点，并且通过专家系统对模糊控制器相关参数的修正提高了系统的控制精度。

Description

色选机灵敏度电压的实时动态调整方法

技术领域

本发明属于色选机参数实时控制的智能控制方法，特别涉及一种色选机灵敏度电压的实时动态调整方法。 

背景技术

目前，随着人们对生活质量要求的提高，色选机已成为多种行业产品精加工工序不可或缺的机器。色选机(以大米色选机为例)的组成原理结构如图1所示。由喂料器1供米，米粒通过溜槽4的规范和加速以恒定的路线和速度进入光学系统，背景板3反射荧光灯5的光线透过大米后产生变化，硅光电池2对应产生不同的波形电压，若波形电压值超过设定的灵敏度电压时，说明该米为不良品，由喷射阀6喷出压缩空气将其吹入不良品出口7，合格大米进入合格品出口8。 

色选机是典型的光、机、电一体化的高新技术产品，采用集中管理分散控制的结构，其硬件系统结构如图2所示。触摸屏作为整个控制系统的人机交互界面，供操作人员设定调整色选机原料含杂比、流量等参数。ARM主控制板根据触摸屏提供的各种参数控制协调信号采集处理板、喂料控制板和背景板控制板的工作。色选机工作时，ARM主控制板向各信号采集处理板发送采集判断命令，由信号采集处理板将采集到的波形电压值与设定的灵敏度电压作比较，如前者高于后者则由信号采集处理板直接控制喷射阀驱动板驱动喷射阀喷出压缩气体，将不良大米吹出。 

色选机选别性能受多方面因素影响，如原料条件、电压波动等，这使色选机各参数在生产中需要进行参数的调节。而人为的更改色选机参数无法使色选 机拥有一种稳定评定标准。为克服上述缺点，市场上已有部分色选机利用模糊PID算法控制背景板角度与溜槽仰角等参数，以提高色选机的易操作性与色选性能，虽能代替部分参数的人工调整，但背景板角度并不适合实时调整，第一，背景板角度变化后其余参数需要做相应调整，第二，若背景板角度调整不当，会导致电磁阀长吹或少吹，影响色选性能，并减少喷射阀的使用寿命。 

但是色选机实际工作中性能仍会受外界因素变化的影响，影响因素如下： 

(1)流量变化：电压变化引起喂料器、生产线进料端人为的造成的进料量变化都会造成色选机流量的波动； 

(2)光源强度变化：主要因为荧光灯管的光衰导致色选品质不稳定。 

以上两者的变化都会影响色选机的选别精度。这是现有的模糊PID算法自动控制背景板角度、溜槽角度无法满足的控制因素。 

发明内容

本发明的目的就是通过实时动态调整的方法，在工作过程中实时调整色选机灵敏度电压，降低外界因素变化对其性能的影响，并且根据色选机各部分特性使色选机在工作过程中时刻保持最佳性能。 

本发明的具体实现方法是这样的： 

一种色选机灵敏度电压的实时动态调整方法，包括以下步骤： 

(1)数据采集与处理 

在数据采集与处理阶段，采样当前色选机单位时间内波形电压超过设定灵敏度的原料总数n、波形电压总数N、当前流量Q、波形电压负峰值P、喂料器中实际重量M、喷射阀工作频率F，设定含杂比e₀，计算得出当前吹出率偏差e、偏差变化率ec，分别为： 

$e=\frac{n}{N}-e_0,\mathrm{ec}=\frac{\∂e}{\∂t};$

(2)参数整定处理 

设立专家系统，根据流量Q、波形电压负峰值P、喂料器中实际重量M、喷射阀工作频率F的大小，对灵敏度电压模糊控制输入、输出变量量化因子K_e、K_ec和K_u进行相应调整； 

(3)吹出率偏差及变化率模糊化处理 

利用典型的双输入单输出二维模糊控制器，通过步骤(1)计算出的吹出率偏差e及偏差变化率ec并依据步骤(2)整定后的参数K_e、K_ec整定后，按模糊算法得出偏差及偏差变化率的模糊量E、EC； 

(4)模糊推理 

根据步骤(3)计算得出的模糊量吹出率偏差E及偏差变化率EC作为模糊控制的输入参数，在模糊推理规则库中查表计算得出模糊控制量U； 

(5)模糊量逆模糊化处理 

根据步骤(4)查表计算得出的模糊控制量，计算出控制量U*； 

(6)输出修正与处理 

根据步骤(5)计算出的控制量U*，并结合步骤(2)计算得出的参数整定系数K_u，对控制量U*进行修正后输出。 

所述步骤(2)参数整定处理中所指调整包括： 

(1)若流量Q偏大，色选机溜槽内米量较大，电眼处米幕较厚，大米波形分布密集，此时需将灵敏度电压模糊控制输入量E和EC的量化因子K_e和K_ec适当减小，K_u也适当减小；若流量Q偏小，大米电压波形较分散，此时K_e、K_ec、K_u应适当放大； 

(2)若大米电压负峰值P偏小，大米波形电压跨度较大，此时需将灵敏度电压模糊控制输入、输出变量量化因子K_e、K_ec和K_u适当增大；若P较大，大米波形电压跨度较小，此时K_e、K_ec、K_u应适当减小； 

(3)当喷射阀工作频率F接近其最高频率F_max且当前选别率μ低于设定选别率μ_s时，K_e、K_ec、K_u应适当减小；而喷射阀工作频率F远低于其最高频率F_max且但前选别率μ低于设定选别率μ_s时，K_e、K_ec、K_u应适当放大；当选别率μ偏高时K_e、K_ec、K_u应适当放大； 

(4)当喂料器中原料重量M较大时，说明此时实际流量比设定流量稍大，此时K_e、K_ec、K_u应适当减小；反之，K_e、K_ec、K_u应适当放大。 

所述步骤(3)吹出率偏差及变化率模糊化处理所对应E，EC及U模糊集及论域定义如下： 

偏差变化率EC与控制量U的论域、语言值定义与吹出率偏差E相关参数定义相似，吹出率偏差E的基本论域为[-100，100]，选定E的论域为X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，语言变量E选择8个语言值：NL，NM，NS，N0，P0，PS，PM，PL。 

所述步骤(4)所述模糊推理规则如下：大米波形电压的单位区间内，低电压区间内大米波形比高电压区间内的波形密集的多，因此当偏差E为NL即选别率偏低时，输出U应适当减小；而当偏差E为PL即选别率偏大时，可能会导致喷射阀工作在最高频率附近，灵敏度电压调整量应适当加大。 

本发明与传统控制方法相比较，具有如下优点： 

与现有的色选机参数自适应控制系统相比，本控制系统具有如下优点： 

(1)工作过程中，根据色选机操作人员估计的原料含杂比实时调整灵敏度电压，以减少因为流量或光强的变化对选别精度的影响； 

(2)根据喷射阀厂家提供的喷射阀最高工作频率，动态调整灵敏度电压，防止喷射阀出现常吹现象，影响色选性能； 

(3)本控制系统使用模糊控制与专家系统有机结合构成的模糊专家控制系统，避开常规PID控制需建立数学模型的难点，直接根据更切实际情况的专家经验构成的知识库，充分利用了模糊控制的鲁棒性好，专家系统控制的灵活性好等特点，并且通过专家系统对模糊控制器相关参数的修正提高了系统的控制精度。 

附图说明

下面根据实施例和附图对本发明作进一步详细说明。 

图1是本发明所述大米色选机组成原理结构图； 

图2是本发明所述大米色选机硬件组成结构图； 

图3是本发明所述色选机灵敏度电压的实时动态调整方法原理流程图； 

图4是参数整定处理原理图； 

图5是吹出率偏差及变化率模糊化处理原理图； 

图6是模糊推理原理图； 

图7是模糊量逆模糊化处理原理图； 

图8是输出修正与处理原理图。 

图中： 

1、喂料器；2、硅光电池；3、背景板；4、溜槽；5、荧光灯；6、喷射阀；7、不良品出口；8、合格品出口。 

具体实施方式

如图3所示，给出了本发明所述色选机灵敏度电压的实时动态调整方法的实现原理流程图，其工作原理是：参数专家整定系统根据控制器采样得到的被控制量的偏差与偏差变化率对模糊控制器参数进行相关修正，然后由模糊专家控制器对被控制量的偏差与偏差变化率进行模糊化，应用模糊控制推理规则进 行模糊决策，再经逆模糊化处理后得到精确控制量，控制量再次经过专家系统的整定后去控制被控对象，系统不断对被控制量进行采样与调整，以此达到被控制量的实时模糊专家系统控制。 

整个方法可以概括为下述步骤： 

1、控制器通过采样获得模糊控制器的输入变量； 

2、专家系统根据输入变量对模糊控制器的参数进行整定； 

3、将精确的输入变量值转化为模糊变量； 

4、根据输入模糊量与推理规则计算出模糊输出量； 

5、模糊量逆模糊化处理 

6、由专家系统将输出量整定后计算得出精确的控制量。 

1、数据采集与处理 

在数据采集与处理阶段，采样当前色选机单位时间内波形电压超过设定灵敏度的原料总数n、波形电压总数N、当前流量Q、波形电压负峰值P、喂料器中实际重量M、喷射阀工作频率F，设定含杂比e₀，计算得出当前吹出率偏差e、偏差变化率ec，分别为： 

$e=\frac{n}{N}-e_0,$ $\mathrm{ec}=\frac{\∂e}{\∂t};$

2、参数整定处理 

在参数整定处理阶段，根据流量Q、波形电压负峰值P、喂料器中实际重量M、喷射阀工作频率F的大小，按一定的规则，对灵敏度电压模糊控制输入、输出变量量化因子K_e、K_ec和K_u进行相应调整；模糊专家控制器中的专家系统依据技术专家调节色选机灵敏度的思维方式及实践经验总结得出的推理规则，并结合步骤1中采集计算得出的模糊控制器参数K_e、K_ec和K_u相应的比例系数 α、β、γ，实现参数整定，其中规则中未说明数值为根据专家经验与不断测试得出的数据；整定处理中所指规则为： 

(1)若流量Q偏大，色选机溜槽内米量较大，电眼处米幕较厚，大米波形分布密集，此时需将灵敏度电压模糊控制输入量E和EC的量化因子K_e和K_ec适当减小，K_u也适当减小；若流量Q偏小，大米电压波形较分散，此时K_e、K_ec、K_u应适当放大； 

(2)若大米电压负峰值P偏小，大米波形电压跨度较大，此时需将灵敏度电压模糊控制输入、输出变量量化因子K_e、K_ec和K_u适当增大；若P较大，大米波形电压跨度较小，此时K_e、K_ec、K_u应适当减小； 

(3)当喷射阀工作频率F接近其最高频率F_max且当前选别率μ低于设定选别率μ_s时，K_e、K_ec、K_u应适当减小；而喷射阀工作频率F远低于其最高频率F_max且但前选别率μ低于设定选别率μ_s时，K_e、K_ec、K_u应适当放大；当选别率μ偏高时K_e、K_ec、K_u应适当放大； 

(4)当喂料器中原料重量M较大时，说明此时实际流量比设定流量稍大，此时K_e、K_ec、K_u应适当减小；反之，K_e、K_ec、K_u应适当放大。 

其具体实现方法如图4所示。 

3、将精确的输入变量值转化为模糊变量 

利用典型的双输入单输出二维模糊控制器，通过步骤1计算出的吹出率偏差e及偏差变化率ec并依据步骤2整定后的参数K_e、K_ec整定后，按模糊算法得出偏差及偏差变化率的模糊量E、EC； 

吹出率偏差及变化率模糊化处理所对应E，EC及U模糊集及论域定义如下： 

偏差变化率EC与控制量U的论域、语言值定义与吹出率偏差E相关参数定义相似，吹出率偏差E的基本论域为[-100，100]，选定E的论域为X＝{-6， -5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，语言变量E选择8个语言值：NL，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL。 

其E、EC具体实现方法如图5所示。 

4、根据输入模糊量与推理规则计算出模糊输出量 

根据步骤3计算得出的模糊量吹出率偏差E及偏差变化率EC作为模糊控制的输入参数，按编制好的程序在模糊推理规则库中查表计算得出模糊控制量U，如图6所示；大米波形电压的单位区间内，低电压区间内大米波形比高电压区间内的波形密集的多，因此当偏差E为NL即选别率偏低时，输出U应适当减小；而当偏差E为PL即选别率偏大时，可能会导致喷射阀工作在最高频率附近，灵敏度电压调整量应适当加大。 

5、模糊量逆模糊化处理 

为简化算法，经过大量计算，通过不断的现场实验总结可将上述规则合成如图7所示的总控制表，并将表存入ARM主控制器，应用时只需查询此表即可马上得出需要的控制量u。 

6、由专家系统将输出量整定后计算得出精确的控制量。 

如图8所示，根据步骤5计算出的控制量，并结合步骤2计算得出的参数整定系数K_u，对控制量U*进行修正后输出。 

本发明与传统控制方法相比较，具有如下优点： 

(1)工作过程中，根据色选机操作人员估计的原料含杂比实时调整灵敏度电压，以减少因为流量或光强的变化对选别精度的影响； 

(2)根据喷射阀厂家提供的喷射阀最高工作频率，动态调整灵敏度电压，防止喷射阀出现常吹现象，影响色选性能； 

(3)本控制系统使用模糊控制与专家系统有机结合构成的模糊专家控制系 统，避开常规PID控制需建立数学模型的难点，直接根据更切实际情况的专家经验构成的知识库，充分利用了模糊控制的鲁棒性好，专家系统控制的灵活性好等特点，并且通过专家系统对模糊控制器相关参数的修正提高了系统的控制精度。 

本发明所述方法可应用于附图2所示的硬件体系上，其组成包括：ARM主控制板、触摸屏、喂料控制板、背景板控制板、信号采集处理板、喷射阀驱动板和电源电路，其硬件配置具体如下： 

ARM主控制板采用NXP的32位ARM处理器LPC2377，具有8路模拟量输入、8路数字量输入和8路数字量输出、以太网、RS-485接口、3线和全功能RS-232接口、CF卡接口，同时它支持MiniISA扩展总线。 

触摸屏采用MiniISA-GMT05001人机界面板卡，屏幕采用5.7英寸、分辨率为320x240的单色屏，支持触摸屏操作功能和8个按键输入功能，通过MiniISA总线与ARM主控制板连接。 

喂料控制板采用AT89C2051单片机构成喂料控制电路，ARM主控制板通过RS232总线与该控制板通讯，实现对色选机流量的控制。 

背景板控制板采用AT89C2051单片机及步进电机构成背景板控制电路，ARM主控制板通过RS232总线与该控制板通讯，实现对色选机背景板的控制。 

信号采集与处理板采用TI公司的TMS320LF2407ADSP及信号放大电路构成信号采集与处理电路，ARM主控制板通过RS485总线与该控制板通讯，实现对原料波形电压数据的采集以及灵敏度电压的实时控制。 

喷射阀驱动板采用AT89S51单片机及喷射阀驱动保护器件构成喷射阀驱动电路，由信号采集处理板与喷射阀驱动板直接连接实现对喷射阀的控制，并由单片机检测喷射阀驱动信号实现对喷射阀的保护功能。 

电源电路由稳压电路、滤波电路、过流保护、过压保护、变压电路等构成，为整台色选机提供电源。 

Claims (4)

1.一种色选机灵敏度电压的实时动态调整方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)数据采集与处理

在数据采集与处理阶段，采样当前色选机单位时间内波形电压超过设定灵敏度的原料总数n、波形电压总数N、当前流量Q、波形电压负峰值P、喂料器中实际重量M、喷射阀工作频率F，设定含杂比e₀，计算得出当前吹出率偏差e、偏差变化率ec，分别为：

$e=\frac{n}{N}-e_0,\mathrm{ec}=\frac{\∂e}{\∂t};$

(2)参数整定处理

设立专家系统，根据流量Q、波形电压负峰值P、喂料器中实际重量M、喷射阀工作频率F的大小，对灵敏度电压模糊控制输入、输出变量量化因子K_e、K_ec和K_u进行相应调整；

(3)吹出率偏差及变化率模糊化处理

利用典型的双输入单输出二维模糊控制器，通过步骤(1)计算出的吹出率偏差e及偏差变化率ec并依据步骤(2)整定后的参数K_e、K_ec整定后，按模糊算法得出偏差及偏差变化率的模糊量E、EC；

(4)模糊推理

根据步骤(3)计算得出的模糊量吹出率偏差E及偏差变化率EC作为模糊控制的输入参数，在模糊推理规则库中查表计算得出模糊控制量U；

(5)模糊量逆模糊化处理

根据步骤(4)查表计算得出的模糊控制量，计算出控制量U*；

(6)输出修正与处理

根据步骤(5)计算出的控制量U*，并结合步骤(2)计算得出的参数整定系数K_u，对控制量U*进行修正后输出。

2.根据权利要求1所述的色选机灵敏度电压的实时动态调整方法，其特征在于，所述步骤(2)参数整定处理中所指调整包括：

(1)若流量Q偏大，色选机溜槽内米量较大，电眼处米幕较厚，大米波形分布密集，此时需将灵敏度电压模糊控制输入量E和EC的量化因子K_e和K_ec适当减小，K_u也适当减小；若流量Q偏小，大米电压波形较分散，此时K_e、K_ec、K_u应适当放大；

(2)若大米电压负峰值P偏小，大米波形电压跨度较大，此时需将灵敏度电压模糊控制输入、输出变量量化因子K_e、K_ec和K_u适当增大；若P较大，大米波形电压跨度较小，此时K_e、K_ec、K_u应适当减小；

(3)当喷射阀工作频率F接近其最高频率F_max且当前选别率μ低于设定选别率μ_s时，K_e、K_ec、K_u应适当减小；而喷射阀工作频率F远低于其最高频率F_max且但前选别率μ低于设定选别率μ_s时，K_e、K_ec、K_u应适当放大；当选别率μ偏高时K_e、K_ec、K_u应适当放大；

(4)当喂料器中原料重量M较大时，说明此时实际流量比设定流量稍大，此时K_e、K_ec、K_u应适当减小；反之，K_e、K_ec、K_u应适当放大。

3.根据权利要求1所述的色选机灵敏度电压的实时动态调整方法，其特征在于，所述步骤(3)吹出率偏差及变化率模糊化处理所对应E，EC及U模糊集及论域定义如下：

偏差变化率EC与控制量U的论域、语言值定义与吹出率偏差E相关参数定义相似，吹出率偏差E的基本论域为[-100，100]，选定E的论域为X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，语言变量E选择8个语言值：NL，NM，NS，N0，P0，PS，PM，PL。

4.根据权利要求1所述的色选机灵敏度电压的实时动态调整方法，其特征在于，所述步骤(4)所述模糊推理规则如下：大米波形电压的单位区间内，低电压区间内大米波形比高电压区间内的波形密集的多，因此当偏差E为选别率偏低时，输出U应适当减小；而当偏差E为选别率偏大时，可能会导致喷射阀工作在最高频率附近，灵敏度电压调整量应适当加大。

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